Máy tính Lực nổi

Máy tính Lực nổi tính lực đẩy Archimedes tác dụng lên một vật và cho bạn biết ngay vật sẽ nổi, chìm hay lơ lửng trong chất lỏng — tất cả dựa trên nguyên lý Archimedes. Nhập chất lỏng, thể tích và khối lượng của vật, công cụ trả về lực đẩy Archimedes, mật độ vật, phần chìm chính xác, trọng lượng biểu kiến (dưới nước), và tải trọng thêm mà vật nổi còn có thể mang, được vẽ trên sơ đồ bể nổi/chìm động.

Lực nổi là gì?

Lực nổi là lực hướng lên mà chất lỏng tác dụng lên mọi vật đặt trong nó. Lực đẩy này xuất phát từ áp suất tăng theo độ sâu: đáy vật ngập nằm trong vùng áp suất cao hơn đỉnh, và hiệu số tạo ra lực hợp hướng lên. Việc vật nổi lên hay chìm xuống là cuộc giằng co giữa lực đẩy Archimedes này và trọng lượng của vật.

Nguyên lý Archimedes

Nguyên lý Archimedes nêu rằng lực đẩy Archimedes tác dụng lên một vật bằng trọng lượng của chất lỏng mà vật đẩy ra. Ký hiệu:

trong đó \( \rho_{fluid} \) là mật độ chất lỏng (kg/m³), \( V_{displaced} \) là thể tích chất lỏng bị đẩy sang một bên (m³), và \( g \) là gia tốc trọng trường (9,81 m/s² trên Trái Đất). Khi vật ngập hoàn toàn, thể tích bị đẩy chính là thể tích của bản thân vật.

Vật sẽ nổi hay chìm?

Kết luận quy về một so sánh mật độ duy nhất, vì thể tích và trọng lực xuất hiện ở cả hai phía của cân bằng lực và triệt tiêu:

• Nổi — mật độ vật nhỏ hơn mật độ chất lỏng (\( \rho_{obj} < \rho_{fluid} \)).
• Chìm — mật độ vật lớn hơn mật độ chất lỏng (\( \rho_{obj} > \rho_{fluid} \)).
• Trung hòa nổi — mật độ bằng nhau, nên vật lơ lửng ở mọi độ sâu.

Đó là lý do khoảng 90% tảng băng ẩn dưới mặt nước: băng (≈917 kg/m³) dày khoảng 92% so với nước biển (≈1025 kg/m³).

Trọng lượng biểu kiến dưới nước

Vật ngập cảm giác nhẹ hơn vì lực đẩy Archimedes đỡ một phần trọng lượng. Số mà cân đọc được dưới nước là trọng lượng biểu kiến:

Đây chính là hiệu ứng mà Archimedes được cho là đã dùng để kiểm tra vương miện của nhà vua có phải vàng nguyên chất hay không: vương miện vàng và vương miện pha bạc cùng khối lượng đẩy các thể tích nước khác nhau, do đó giảm trọng lượng biểu kiến khác nhau.

Mật độ điển hình

Yếu tố nào ảnh hưởng đến lực nổi?

Cách sử dụng máy tính này

1. Chọn chất lỏng: Chọn sẵn như nước ngọt, nước biển hoặc dầu, hoặc nhập mật độ tùy chỉnh theo kg/m³.
2. Nhập thông tin vật: Gõ thể tích và khối lượng của vật rồi chọn đơn vị cho từng đại lượng (cm³, lít, kg, lb, và nhiều hơn).
3. Đặt trọng lực (tùy chọn): Giữ 9,81 m/s² của Trái Đất hoặc chuyển sang Mặt Trăng, Sao Hỏa, Sao Mộc hay Sao Kim.
4. Nhấn Tính: Đọc kết luận nổi hay chìm, lực đẩy Archimedes, phần chìm, lực nổi dự trữ, và theo dõi các bước tính trên sơ đồ bể động.

Câu hỏi thường gặp

Lực đẩy Archimedes là gì?

Lực đẩy Archimedes là lực đẩy hướng lên mà chất lỏng tác dụng lên mọi vật đặt trong nó. Theo nguyên lý Archimedes, lực này bằng trọng lượng của chất lỏng mà vật đẩy ra, tính bằng lực đẩy Archimedes = mật độ chất lỏng × thể tích bị đẩy × gia tốc trọng trường.

Làm sao biết vật sẽ nổi hay chìm?

So sánh mật độ. Nếu vật nhẹ hơn chất lỏng thì nổi, nếu nặng hơn thì chìm, và nếu mật độ bằng nhau thì trung hòa nổi và lơ lửng ở mọi độ sâu. Thể tích và trọng lực triệt tiêu, nên chỉ mật độ quyết định kết luận.

Lực đẩy Archimedes được tính như thế nào?

Lực đẩy Archimedes F_b = ρ × V × g, trong đó ρ là mật độ chất lỏng theo kg/m³, V là thể tích chìm theo m³, và g là trọng lực theo m/s². Khi vật ngập hoàn toàn, V là toàn bộ thể tích của nó; khi nổi, nó chỉ đẩy đủ chất lỏng để bằng trọng lượng của chính nó.

Phần nào của vật nổi nằm dưới nước?

Phần chìm bằng mật độ của vật chia cho mật độ chất lỏng. Băng có mật độ khoảng 917 kg/m³ và nước khoảng 1000 kg/m³, nên khoảng 92 phần trăm tảng băng nằm dưới mặt nước và chỉ 8 phần trăm nhô lên.

Trọng lượng biểu kiến dưới nước là gì?

Trọng lượng biểu kiến là số mà cân đọc được khi vật ngập trong nước. Nó bằng trọng lượng thực của vật trừ đi lực đẩy Archimedes. Đó là lý do vật nặng cảm giác nhẹ hơn dưới nước, và cũng là hiệu ứng Archimedes dùng để kiểm tra vương miện vàng của nhà vua.

Trọng lực có thay đổi việc vật nổi hay không?

Không. Cả trọng lượng và lực đẩy Archimedes đều tỉ lệ với trọng lực, nên kết luận nổi hay chìm giống nhau trên Mặt Trăng, Sao Hỏa hay Trái Đất. Chỉ độ lớn của các lực thay đổi, vì vậy máy tính này cho phép bạn đổi trọng lực để xem lực trên các hành tinh khác.

Tài nguyên bổ sung

• Buoyancy - Wikipedia
• Archimedes' Principle - Wikipedia